고체 나노포어

제작 기술

이온 트랙 에칭 방법

고체 상태의 나노 기공은 먼저 이온 트랙 에칭으로 제작되었습니다. 이온 트랙 식각은 중이온이 조사된 막을 식각하기 위해 식각액을 사용했습니다. 트랙 영역의 에칭 속도는 비 트랙 영역의 에칭 속도보다 큽니다(v _트랙> v _대량 ), 모공의 형태를 초래합니다. 이 방법은 폴리카보네이트, 폴리이미드 및 질화규소와 같은 비교적 저렴한 재료에서 고체 상태의 나노포어를 성공적으로 제작했습니다. Zhang et al. [32] 고에너지 Br ⁺ 을 사용하여 이 방법으로 실리콘 질화물 나노포어를 제작했습니다. (81MeV). 이 나노포어의 직경은 상대적으로 크며, 수축과정을 거쳐 얻어진 최소 나노포어 직경은 40nm였다. 현재 Harrell et al. [18]은 나노골드 박막 증착에 의해 직경이 축소된 후 이온 트랙 에칭에 의해 직경 2nm의 고체 나노포어를 제작했다. 그러나 이온채널 식각법으로 제조된 고체상 나노포어는 기공도가 작고 기공 크기 분포가 불균일하다. 한편, 이 방법은 고가의 중이온 가속도계를 필요로 하고, 고체상 나노포어의 제조 및 적용에 제한을 가한다.

마스크 에칭 방법

마스크 식각 방법은 마스크의 종류에 따라 세 가지 보조 제조 방법으로 나눌 수 있는데, 각각 다공성 양극 산화알루미늄(AAO), 나노스피어, 나노임프린트였다. 연구자들은 AAO가 균일한 기공 크기 분포와 조절 가능한 기공 길이를 가질 뿐만 아니라 측면의 기공 사이의 교차 및 연결이 없는 주기적인 벌집형 기공 구조를 갖는다는 것을 발견했습니다. 이온 트랙 에칭 방법에서 낮은 다공성과 불균일한 크기 분포의 문제를 극복할 수 있습니다. 그림 2a와 같이 Liang et al. [25]는 AAO를 마스크로 사용하여 반응성 이온 에칭에 의해 기판에 나노포어 패턴을 전사하고 고체 상태 나노포어의 제어된 제조를 실현했다. 불행히도 AAO 필름은 기계적 강도가 약하고 크랙이 발생하기 쉽습니다. 게다가, 그 제조 공정 또한 시간 소모, 낮은 생산량, 환경 오염, 원자재 낭비 등 많은 문제가 존재한다. 이러한 결함은 모두 AAO 마스크 에칭 방법의 사용을 제한합니다.

마스크 에칭 방법에 의한 고체 나노 기공의 제조. (아 ) GaAs 고체 나노 기공 [25], (b ) 실리콘 나노포어 [33], 그리고 (c ) 다양한 모양의 알루미늄 나노포어 [34]

AAO 마스크 에칭에서 영감을 받아 고체 상태 나노포어를 제작했습니다. Alyson et al. [24] 나노구를 마스크로 사용한 다음 반응성 이온 에칭(RIE)을 통해 단면이 삼각형인 고 다공성 고체 나노 기공을 생성합니다. Chen et al. 전자를 기반으로 이중층 폴리스티렌 나노스피어에서 상부층의 나노스피어 직경을 조절하여 나노스피어의 간극 분포와 크기를 정밀하게 조절하였다[33]. 마지막으로 깊은 반응성 이온 에칭을 통해 단면이 나노구와 유사한 최대 2μm 깊이의 실리콘 나노포어를 얻었다. 나노스피어 에칭 기술은 또한 금속 나노포어 마스크를 생산하기 위해 금속 증착 또는 박리 공정과 결합될 수 있습니다. 그런 다음 식각 및 금속 마스크 제거 공정을 결합하여 실리콘 나노포어를 얻었다[34](그림 2b). Nanosphere 에칭 기술은 다층 구조의 고체 나노 기공을 생성하는 데 사용할 수 있을 뿐만 아니라 고 다공성 폴리에테르설폰 필터를 만드는 데 사용할 수 있는 광범위한 적응성을 가지고 있습니다. 그러나 나노구체의 직경 제한으로 인해 나노포어의 직경이 너무 커서 10nm 이하로 하기가 어렵습니다.

AAO 마스크나 나노스피어 보조제조법으로 고체 상태의 나노포어를 제작하는 것은 마스크 제작, 전사, 제거 공정을 포함하기 때문에 매우 복잡하다. 동시에 마스크는 재사용할 수 없으며 낭비가 됩니다. 그래서 연구자들은 재사용 가능한 나노임프린트 기술에 관심을 돌렸습니다. 나노임프린트의 원리는 준비된 템플릿을 고분자 박막(예:폴리메틸메타크릴레이트)에 압착하는 것이며, 필름이 응고되면 템플릿과 유사한 패턴이 얻어진다[35]. Nanoimprint 기술은 템플릿을 재사용할 수 있을 뿐만 아니라 최소 선 너비가 최대 5nm인 복잡한 나노구조를 생성할 수 있습니다[23]. 다공성 알루미늄은 나노임프린트 기술[36]에 의해 제조된 나노다공성 구조를 갖는 가장 일반적인 제품이다(그림 2c). 현재 Chou et al. 나노임프린트 기술로 가장 작은 나노포어를 만들었다. 그들은 크롬을 마스크로 사용하고 전자빔 에칭과 RIE를 사용하여 직경 10nm, 높이 60nm SiO₂를 얻었습니다. 나노기둥. 이후 HF 식각으로 나노기둥의 직경을 더욱 감소시키고, 나노기둥을 임프린트 템플릿으로 사용하여 직경 6nm 이하의 나노기공을 얻는다. 그러나 이 방법은 안정성이 좋지 않아 템플릿 제작 및 스탬핑 공정은 여전히 ​​개선이 필요하다. 나노임프린트 기술에서는 고정밀 템플릿이 요구되며, 제조를 위해서는 전자빔 리소그래피와 같은 나노크기의 제조 방법이 필요하며, 이는 그 자체로 마이크로/나노가공의 과제입니다. 또한 템플릿의 수명과 임프린트 정밀도도 나노임프린트 기술의 과제입니다.

화학적 용액 에칭 방법

마스크 에칭 방법을 사용하는 것 외에도 과학자들은 화학적 용액 에칭을 사용하여 고체 상태의 나노 기공을 제작하려고 시도하고 있습니다. 화학적 용액 식각 중 전기화학적 식각 방법은 다공성 실리콘의 제조에 일반적으로 사용된다. 전기화학적 식각법은 실리콘 고상 나노포어를 제조하는 저렴한 방법으로 마스크를 설계하여 다공성 실리콘의 패턴과 위치를 정밀하게 제어할 수 있다. 또한 다공성 실리콘의 다공성 및 나노 기공 크기는 에칭 액체 농도, 에칭 전류, 에칭 시간 및 기타 공정 매개 변수를 조정하여 제어할 수도 있습니다. Oroscoet al. [38]은 이 방법으로 뛰어난 성과를 얻었고 최소 나노 기공 직경이 6nm인 다공성 실리콘 이중층을 생성했습니다(그림 3a). 또한 Wang et al. [39] 초점 이온 빔을 사용했습니다(10 ¹¹ ~10 ¹⁵ 이온/cm ² ) 실리콘의 특정 위치를 조사하기 위해 전기화학적 에칭 방법을 사용하여 위치와 양이 제어된 실리콘 나노포어를 얻었지만, 나노포어의 수와 크기는 모두 이온빔의 작은 시야에 의해 제한되었습니다. 그러나 전기화학적 식각법으로 제작된 다공성 실리콘 벽체의 표면 거칠기는 기존의 분기 구조에서도 너무 높아서 실리콘 고체상 나노포어 제작에 사용되는 전기화학적 식각법의 적용을 심각하게 제한하고 있다.

화학 용액 에칭에 의한 고체 나노 기공의 제조. (아 ) 이중벽 실리콘 나노포어 [38], (b ) 실리콘 나노포어 [27] 및 (c ) 고도로 제어 가능한 실리콘 나노포어 [28]

MEMS 기술의 발전으로 연구자들은 화학적 용액 에칭 기술을 사용하여 위치와 수를 제어하는 ​​실리콘 나노포어를 제조할 수 있음을 발견했습니다[27, 28, 40]. Park et al. [27] 먼저 DNA 염기서열 분석을 위해 화학적 용액 에칭 기술로 제작된 고체 상태의 나노포어를 사용했다. 첫째, 그들은 포토리소그래피와 RIE를 사용하여 실리콘 웨이퍼의 양면에 실리콘 질화막을 에칭하고 다른 영역이 있는 실리콘 창을 얻었습니다. 다음으로, 실리콘 웨이퍼를 식각용 KOH 용액에 넣고 작은 창과 큰 창에서 각각 역 피라미드 및 사다리꼴 구조를 얻었다. 셋째, 실리콘 웨이퍼는 피드백 에칭 시스템에 장착되고 KCl 염 용액과 KOH 에칭 용액은 실리콘 웨이퍼에 의해 분리됩니다(그림 3b). KOH 용액이 실리콘 웨이퍼를 관통하여 나노포어를 얻으면 실리콘 웨이퍼의 양면에 있는 용액이 나노포어를 통과하여 Pt 전극을 전도하여 피드백 전기 신호를 얻습니다. 마지막으로 실리콘 나노포어를 얻기 위해 실리콘 웨이퍼를 제거합니다. 리소그래피 마스크 제조 및 포토리소그래피 오류의 한계로 인해 작은 패턴의 실리콘 창은 절대 정사각형이 될 수 없으므로 에칭된 고체 상태 나노포어는 대략적인 직사각형이며 포어의 형태를 개선하기 위해 어닐링과 같은 후속 처리가 필요합니다. Pedonet al. [28]은 전자빔 리소그래피를 기반으로 마스크 제조 및 리소그래피 오류를 방지하는 전자빔 리소그래피를 사용하여 작은 창을 개발했습니다. 동시에 지능형 제어 시스템에 전기 신호 피드백이 추가되면 거의 완벽한 나노 기공이 얻어졌습니다(그림 3c). 비슷한 방식으로 Liu et al. [41]은 최소 직경이 30nm인 실리콘 나노포어를 제작하기 위해 건식 및 습식 에칭 방법의 조합을 사용했습니다. 찾기 어렵지 않습니다. Rant 그룹 외에도 다른 그룹은 더 큰 직경의 실리콘 나노포어를 제작할 수 있습니다. 동시에 TEM의 제한된 필드에 기인하는 나노포어의 직경을 특성화하기가 어렵습니다.

고에너지 입자 에칭 및 수축 방법

간단한 방법을 사용하여 고체 상태의 나노 기공을 제작하려는 탐구에서 좌절을 겪은 후 일부 연구자들은 제어 가능한 구조를 가진 작은 영역에서 나노 기공을 제작하기 위해 에너지 입자를 사용하는 것으로 돌아갔습니다[20, 42]. Kim et al. [42] 먼저 집속 이온빔 식각을 사용하여 전자빔 리소그래피 영역으로 직경 2μm의 6 × 6 블라인드 포어를 얻었다. 그런 다음, 그들은 TEM에서 고에너지 전자빔 에칭을 사용하여 SiN 나노포어를 얻었고, 생성된 SiN 나노포어의 평균 직경은 0.46nm의 표준 편차와 함께 5.14nm였습니다. TEM 장비의 한계로 인해 각 진공에 하나의 칩만 배치할 수 있으며 이는 나노포어 칩의 제조 속도를 심각하게 제한합니다. FIB 소자는 더 큰 캐비티를 가지며 전체 웨이퍼(실리콘)에도 하나 이상의 칩을 배치할 수 있습니다. TEM에 비해 나노포어의 제조 효율을 크게 높였습니다. 그러나 집속 이온빔 식각으로 제작된 나노포어의 직경은 너무 크다. 현재 Gierak 그룹만이 FIB를 사용하여 직경 5nm 미만의 나노 기공을 제작했습니다[20]. Ga ⁺ 를 개선했습니다. 직접 쓰기 시스템과 20nm 두께의 탄화규소 필름에 직경 약 2.5nm의 나노포어를 제작했습니다.

이제 Gierak 그룹 외에 다른 그룹에서는 Ga ⁺ 를 사용하기 어렵습니다. 직경이 10nm 미만인 나노포어를 제작하기 위한 소스 집속 이온 빔 시스템. 연구원들은 FIB를 사용하여 더 큰 직경의 나노포어를 만들고 나노포어의 직경을 줄이기 위해 표면 처리를 사용했습니다[43,44,45,46]. 지금까지 나노 기공 직경을 줄이는 방법은 두 가지 범주로 나뉩니다. 첫 번째 유형은 나노포어의 직경을 줄이기 위해 나노포어 표면에 물질을 증착하는 증착 수단이다. 두 번째 유형은 전자빔 조사로, 나노포어 가장자리의 물질을 이동시켜 나노포어 직경을 감소시킵니다.

나노세공 표면 증착 재료 수축

Chen et al. 나노포어 표면에 물질을 증착하여 나노포어 직경의 정확한 감소를 최초로 실현하였다. 그들은 Ga ⁺ 위에 24개의 알루미나 층을 증착했습니다. - ALD(Atomic Layer Deposition)를 사용하여 에칭된 나노 기공 표면, 나노 기공 직경은 2nm로 감소되었습니다(그림 4a). DNA 시퀀싱 과정에서 이 방법으로 제조된 나노포어가 노이즈를 효과적으로 줄이고 신호 대 노이즈 비율을 향상시킬 수 있음을 발견했습니다. 원자층 증착법의 핵심은 서브나노미터 이하의 단층 증착 공정으로 안정적인 공정을 가지고 있어 나노포어의 정밀한 제조에 유리하다. Torre et al. [44]는 나노포어 직경을 줄이기 위해 유사한 접근법을 사용했는데, 먼저 집속 이온빔 에칭을 사용하여 평균 직경이 27.3nm인 나노포어를 얻은 다음 ALD를 사용하여 산화티타늄을 증착하여 나노포어 직경을 8.3nm로 줄였습니다.

고체 상태 나노포어의 제조를 위한 고에너지 입자 식각 및 변형 방법. (아 ) ALD 수축, (b ) 나노 기공 가장자리의 자체 보정 및 (c ) 헬륨 이온 에칭 나노포어

Rantet al. 다른 방법을 찾았습니다. 그들은 먼저 전자빔 리소그래피와 RIE를 사용하여 질화규소 나노포어를 얻었다. 그런 다음 물리적 증착법을 사용하여 나노 기공 표면에 Ti/Au 박막을 증착하여 나노 기공을 10nm 이하로 감소시켰다[45]. 알루미나, 산화티탄, 금속 외에도 비정질 탄소는 FIB 시스템에서 전자빔의 도움으로 수축을 위해 증착될 수 있습니다[46].

나노포어 가장자리 재료 마이그레이션 수축

나노 기공 가장자리 물질의 이동은 Dekker 그룹[47]에서 제안한 나노 기공 표면 에너지 최소의 원리에 기반합니다. 즉, 나노포어의 직경이 나노포어의 두께보다 작으면 고에너지 전자빔을 조사하여 나노포어가 수축된다. Dekker, Storm et al. [48] ​​in situ에서 전자빔을 조사한 후 실리콘 산화물 나노포어의 최소 직경이 2nm로 축소되는 것을 관찰했습니다(그림 4b). 이 실험 결과는 나노 기공 표면 에너지 최소 원리를 더욱 확인시켜 주었다. 또한 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)와 EELS(Electronic Energy Loss Spectroscopy)를 통해 나노기공 직경의 감소가 나노기공 표면 오염에 의한 것이 아니라 나노기공 가장자리 물질의 이동으로 인한 것임을 확인하였다[9]. . 나노포어 표면 에너지 최소의 원리는 타원형 실리콘 산화물 나노포어 및 실리콘 질화물/실리카 복합 나노포어와 같은 실리콘 산화물 나노포어의 다양한 형태에서 확인됩니다[49].

수축법은 FIB 제조시 나노포어의 크기가 충분히 작지 않은 문제를 해결하지만, 나노포어의 제조공정이 복잡하다. 연구원들은 또한 고체 상태의 나노포어를 제조하기 위해 보다 단순한 이온빔 제조 방법을 추구해 왔습니다. 최근에는 빔 스폿과 시료의 활성 영역이 더 작은 헬륨 이온 식각을 이용한 나노 포어 제조 기술의 등장으로 나노 포어의 직경이 10nm 이상인 기존 FIB의 어려움을 극복했습니다. Emrich et al. [21]은 이 시스템이 직경이 1.3nm에 불과하고 두께가 30nm인 질화규소 나노포어를 생성할 수 있음을 입증했습니다(그림 4c). 기존 Ga ⁺ 를 사용하는 TEM 및 집속 이온빔 시스템에 비해 처리 효율이 크게 향상되었지만 이온 소스, 이 시스템은 비용이 많이 들고 적용이 제한됩니다.

전기화학적으로 제한된 나노포어 방법

Ying et al. 및 Lin et al. [50, 51]은 비대칭 나노포어 내에서 전기화학, 에너지 분포, 광학 향상 및 질량 수송을 독창적으로 제한하는 우수한 능력을 나타내는 전기화학적으로 제한된 나노포어의 개념을 시작했습니다. 제한된 나노포어 전극(CNE)은 일반 화학 실험실에서 나노입자로 제한된 나노입자 전극을 사용하여 단일 셀 내에서 전기화학 공정의 고해상도 시간 분해 연구를 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 광학의 도움으로 나노 단위의 단일체 광전 신호의 다차원 동시 획득에도 적용할 수 있어 단일 살아있는 세포, 단일 입자 및 단일 분자의 전기화학적 측정에 대한 새로운 아이디어를 제공합니다[52].

응용 프로그램

DNA 시퀀싱

나노포어에 대한 아이디어 이후, DNA 시퀀싱은 1996년 생물학자인 Kasianowicz 그룹에 의해 제안되었습니다[53]. 나노포어 기술은 빠르게 발전해 왔다. 나노포어를 이용한 DNA 시퀀싱은 물리적인 방법으로 Sanger의 DNA 중합효소법을 대체했습니다. 이 방법은 전기장을 이용하여 나노포어 내에서 DNA의 이동을 구동하고, 나노포어 이온 전류의 시간 특성을 직접 이용하여 단일 염기의 크기를 구별하여 DNA 시퀀싱의 목적을 달성합니다. Nanopore DNA sequencing 방법은 DNA 변형, 증폭 및 기타 과정을 생략하여 고가의 중합효소 비용을 절감할 수 있어 높은 경쟁력을 보유하고 있습니다. Kasianowicz에게 영감을 받아 2000년부터 물리학자들이 이 방법의 가능성을 조사하기 시작하여 나노포어 DNA 시퀀싱 분야가 탄생했습니다.

나노포어 DNA 시퀀싱 방법은 나노다공성 물질에 따라 바이오 나노포어 시퀀싱과 고체상 나노포어 시퀀싱으로 나눌 수 있다[54]. 그 중 바이오나노포어 시퀀싱은 DNA 분자의 일시정지 및 역전이라는 단점이 있어 이 방법으로 검출된 현재 시간 신호를 잘못 해석하게 된다[55]. 그 결과, 고체 상태의 나노기공 DNA 시퀀싱 및 그 제조는 여러 국가에서 학자들의 뜨거운 주제가 되었다[56].

나노포어 DNA 시퀀싱 방법에 대한 심층 연구를 통해 과학자들은 나노포어 센서가 DNA의 병렬 검출을 실현하고 고처리량 DNA 시퀀싱의 목표를 달성할 수 있다고 생각합니다[57]. 가장 유망한 것 중 하나는 고체 상태 나노포어 내부 반사에 기반한 DNA 서열 기술의 형광 병렬 검출이다[58](그림 5). 전자증식 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라의 도움으로 각 나노포어의 신호를 통해 DNA를 캡처할 수 있으며, 다수의 광학 신호와 이온 전류 신호를 1:1로 대응시켜 높은 처리량의 DNA 시퀀싱을 실현할 수 있습니다. . 이후 이 기술은 이론적으로 10 ⁶ 을 식별할 수 있는 바이오나노포어 염기서열분석에 의해 더욱 확인되었습니다. 기본/mm ² 초당 [59]. 그러나 높은 전위 속도와 낮은 공간 분해능과 같은 고체 상태의 나노포어 DNA 시퀀싱 방법에는 몇 가지 단점도 있습니다[60].

DNA 서열의 내부 전반사 형광(FTIR) 병렬 검출 [58]. 아 개략도. ㄴ 실험에서 감지된 광학 및 이온 전류 신호의 신호 맵

단백질 검출

2007년, Fologea et al. [61]은 두께가 10nm인 고체 나노포어를 사용하여 소 혈청 알부민(BSA)을 성공적으로 검출했습니다. 게다가, 그들은 또한 고체 나노 기공에 의한 요소 변성제의 다른 농도의 작용하에 β-락토글로불린의 형태 변화를 연구했습니다. 그들은 대부분의 단백질이 선형 또는 나선 형태로 나노포어를 통과하고 나노포어의 전기장이 통과하는 단백질을 풀 수 있다는 것을 발견했습니다[62]. 그래서 그들은 단백질의 검출과 단백질의 물리화학적 성질과 구조에 대한 연구를 시작했습니다. Cressiot et al. [63] FIB를 사용하여 직경 20nm의 고체 나노포어를 제작하고, 야생형 말토스 결합 단백질(MaIE)과 펼쳐진 MaIE가 나노포어를 통과할 때 전류 신호의 특성을 체계적으로 연구하고 비교했습니다. 이 실험에서 그들은 또한 단백질이 나노포어를 통과할 때 자유 에너지 장벽이 있음을 발견했습니다. 이후 Cressiot는 TEM을 사용하여 직경 3nm의 나노포어를 제작하고 MaIE 단백질을 다시 찾았습니다. 대조적으로, 전기장이 크면 단백질이 전기장에 의해 늘어나게 된다.

2013년, Plesa et al. [64] 아프로티닌(6.5kDa), 오브알부민(6.5kDa), 베타-아밀라제(45kDa), 페리틴(200kDa), 티로글로불린(660kDa)을 성공적으로 테스트했습니다. 직경 40nm의 질화규소 나노포어를 사용하는 5가지 단백질. 그들은 나노포어를 통한 단백질의 속도가 너무 빠르고 검출 대역폭이 상대적으로 작기 때문에 측정된 전류 신호가 왜곡됨을 발견했습니다. 게다가, 사건의 빈도는 단백질의 확산 상수와 반대였다. 이 모순을 해결하는 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 나노포어를 통해 단백질의 속도를 줄이는 것이고, 다른 하나는 검출 대역폭을 높이는 것이다. Diet al. [65] 저전력 가시광선을 이용하여 나노포어를 통해 유비퀴틴 단백질의 속도를 성공적으로 감소시켰고, 나노포어를 통해 단백질 중 회전각을 구별하였다. 최근에는 직경 3nm의 고체 나노포어를 이용하여 유비퀴틴 단백질을 성공적으로 검출하고 유비퀴틴 단백질과 단백질의 연결 유형을 구별하는 데 성공했습니다. 이 연구는 유비퀴틴 단백질의 생물 의학 연구를 위한 새로운 길을 열어줍니다[66]. 2014년에 Larkin et al. [67] 고대역폭 전류 증폭기와 초박형 HfO₂를 사용하여 proteinase K와 RNA 효소 A를 성공적으로 검출했습니다. nanopore를 사용하여 이 단백질의 전기 이동성, 확산 상수 및 부피를 측정했습니다.

Nanopore는 분자 내부 구조에 대한 매우 높은 검출 분해능을 가지고 있으며 단일 분자의 상호 작용에 대한 강력한 센서가 되었습니다. 그것은 DNA-단백질 상호작용, 단백질-단백질 상호작용 및 화학적 소분자의 실시간 검출에 널리 사용되었습니다. 그 결과 질병의 검출 및 진단, 중금속 이온 및 바이러스의 검출과 같은 나노포어 센싱 기술을 기반으로 한 일련의 기술이 생산되었습니다.

에너지 전환

고급 마이크론/나노 제조 기술의 개발은 기존 에너지 변환 장치의 소형화 및 소형화를 위한 기반을 제공합니다[40, 41]. 마이크로 리액터[42], 마이크로 가스 터빈[43, 44], 마이크로 열 엔진[45, 46], 마이크로 연료 전지[47], 마이크로 슈퍼 커패시터[48]와 같은 많은 마이크로미터 수준의 에너지 변환 장치가 지속적으로 나타납니다. 기존의 대규모 에너지 변환 장치와 비교할 때 이러한 소형 에너지 변환 장치는 더 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있습니다. 이러한 마이크로 소자는 마이크로/나노 공정의 높은 비용으로 인해 대규모 에너지 장비에 적용할 수 없습니다. 그러나 초소형화의 특성으로 인해 나노머신, 마이크로 전자기계 시스템, 생체의학 임플란트 장치와 같은 전자 장비를 구동하기 위한 소규모 및 저전력 소모의 전원 부품 구성에 적합합니다.

Energy conversion method based on nanopore channel takes full advantage of the unique physical-chemical properties of nanoscale. It converts the clean energy existing in environment, such as mechanical energy, chemical energy, light energy, and electric energy. At the same time, it does not emit carbon dioxide, produce vibrations and working noise harmful to the human body, and is very friendly to environment during conversion process. Daiguji et al. [68] converted the mechanical energy to electric energy by solid nanopore channel. Wen et al. [69] converted solar energy to electric energy based on smart-gating nanopore channels. Guo et al. [70] converted salinity gradient energy to electric energy with single-ion-selective nanopore. Table 1 shows several micro-scale energy conversion devices [71].

Energy conversion based on solid-state nanopores was inspired by the research on the function of ion channels of cell membrane [71]. Due to the excellent performance of solid-state nanopores, such as chemical durability, thermostability, superior mechanical property, tunable size and shape and so on [72], it has got increasing attention in the area of energy conversion. For example, Wen et al [73] reported that the nanofluidic energy conversion systems based on solid-state nanopores exhibited high power density, long operating life and good safety performance, compared with other commercially available cation exchange membranes. Besides, along with the development of fundamental studies and practical applications, solid-state nanopores with smart ion transport behaviors, such as ionic selectivity, ionic gating and ionic rectification, has been used as extraordinary platforms for energy conversion [74].